2016Esri开发竞赛ENVIIDL组作品欣赏——“森林火灾预警监测与反演模拟系统”
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2017-01-01
作品单位：聊城大学 环境与规划学院
小组成员：王朝、王爽
指导教师：马雪梅、何振芳
获奖情况：一等奖
视频地址：<a href="http://v.youku.com/v_show/id_X ... gt%3Bhttp://v.youku.com/v_show/id_XMTc2NTM0NDYxMg==.html?&f=27256426&o=0&from=y1.2-3.4.1
一、作品概述
我国森林面积较广，分布不均，每年的森林火灾引起的经济损失达亿元。森林火灾的发生的原因各种各样，且难以预防，虽然全国各地也都在积极探索有效的方法来对森林火灾进行预警监测，但通常的方式是购买专业设备，业务运行费用较高，而且预警监测的森林面积小，广大偏远森林区域无法预警监测；另一方面，虽然气象局会定时发布森林火险气象等级，但因其考虑的因素少，所以精度较低，不能很好的满足需要。在森林火灾发生时，传统的监测方法不能及时有效的发现着火区域和模拟火情蔓延，因而不能给救火人员直观科学的指导意见，从而加大了火灾的扑灭难度。火灾被扑灭后，产生的大气污染很少用科学的数据进行统计。针对以上问题，我们组选择了该题目，希望能够科学合理地解决上述问题，体现实际价值。
系统深入分析了森林火灾监测和预警的功能需求，设计和开发了数据预处理、影像增强与分析、火警预警、火情监测模型、火灾灾后评估、三维展示和地图整饰。可以利用 MODIS 数据获取研究区域的地表温度、空气的相对湿度、森林植被绿度等因子，结合火险预警模型 FPI 对森林火灾预报加以预警分析，还可以根据Rothermel模型进行火灾扩散趋势模拟，分析火点扩散形式，可进行动态模拟，以及通过反演PM2.5/PM10分析火灾对空气质量的影响。
二、系统功能设计
系统功能设计如下：
图 功能模块图
2.1系统主界面
主界面主要由以下几部分组成：标题栏、菜单栏、工具栏、状态栏、图像显示区域、鹰眼视图、图层管理窗口。
图：作品主界面
2.2文件管理模块
该模块是本系统的基础模块。主要包括：文档操作、添加数据、地图操作、新建数据、退出、系统皮肤这七个主功能。主要用来实现影像文档的新建、打开、保存、放大、缩小、平移、添加栅格或矢量数据、新建点线面数据或ROI、退出系统功能。
图 文件管理模块
2.3 数据预处理模块
该模块主要包括遥感影像的数据压缩管理，其主要实现了MODIS数据与Landsat数据的波段选择与特征提取功能，便于系统对MODIS数据与Landsat数据进行高效快速的处理；该模块包括核心部分遥感影像预处理，其主要包括几何校正、大气校正以及影像去云处理功能，影像处理模块包括基本的影像裁剪、波段运算以及重采样；处理好的基本影像可以根据需要进行分级显示或者使用唯一值显示。
图 影像预处理模块
图 图像几何校正
2.4 影像增强与分类模块
本模块为系统的影像处理基础模块。几何校正、辐射校正后的影像，为了突出显示特征信息，因此集成常用的遥感分析工具来进行影响增强显示。主要包括直方图均衡化、平滑、锐化等影像增强方法，基本满足用户对影像增强处理的需求。而图像分类功能包括图像的基本处理与分类算法，其中分类算法分为基于统计的图像分类和基于地物光谱特征的图像分类。基于统计的分类算法分为监督分类与非监督分类，监督分类又包括SAM马氏距离和SID光谱信息散度，非监督分类包括ISO算法和K-Means算法。基于地物光谱特征的图像分类包括SVM支持向量机（属于监督分类）。
图 影像增强与分类模块
图 SVM分类结果
2.5火险预警分析模块
利用 MODIS 数据获取研究区域的地表温度、空气的相对湿度、森林植被绿度等因子，结合火险预警模型 FPI 对森林火灾预报加以预警分析。时序分析和变化监测功能对比反映不同时相数据的特点，便于分析不同时间尺度下火险危险等级。分析得出FPI模型，进行预警分级，便于直观反映火险危险程度。
图 火险预警分析模块
图 活可燃物湿度
图 火险预警分析FPI模型
2.6 火情监测模拟模块
根据Rothermel模型进行火灾扩散趋势模拟，分析火点扩散形式，可进行动态模拟。通过计算归一化燃烧指数，进行二值化显示然后将其转为矢量格式，以便提取着火区域。植被生长监测：利用MODIS数据分析植被衰减指数、花青素反射指数、归一化植被指数等指标进行监测分析，分析植被生长状况。
图 火情监测模拟模块
图 Rothermel_120分钟
2.7火灾灾后评估模块
大气污染分析。调用6s模型生成查找表，进而计算像元的气溶胶光学厚度（AOD）。根据反演得出的AOD结合各类因子对PM2.5以及PM10颗粒物浓度进行反演估算，得到火灾过后该地区大气中主要污染物浓度值。污染物浓度范围插值模拟。通过反距离权重法、克里金法以及样条函数法进行污染物浓度插值，用以得到污染物浓度范围。下垫面损失分析。针对火灾过后该地区地表植被损失以及地表温度变化进行分析。
图 火灾灾后评估模块
图 PM10反演
2.8 三维视图展示模块
实现对分析区域的三维动态分析。主要实现的功能有导航、平移、放大、缩小以及打开图像、叠加DEM与TIN、栅格转TIN、表面叠加、输出图片、坡度分析等功能。
图 三维视图展示模块
图 3D叠加
2.9地图整饰输出模块
可以显示和浏览研究区域的图像数据集，可以指定符号和地理元素，还可以创建用于打印或发布的地图布局。常见的地图元素包括含有给定范围的地图图层的数据框，以及比例尺、指北针、标题、描述性文本和符号图例等等。
图：地图整饰输出模块
2.10帮助模块
包含帮助文档和人员信息。其中帮助文档集成了各模块中各个功能详细的操作步骤介绍，使用人员可以查看帮助手册详细了解各功能。
三、作品亮点
本系统作为一款专门用于森林火灾预警监测的遥感影像分析系统，其亮点有如下几个方面：
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0102xn81.html
小组成员：王朝、王爽
指导教师：马雪梅、何振芳
获奖情况：一等奖
视频地址：<a href="http://v.youku.com/v_show/id_X ... gt%3Bhttp://v.youku.com/v_show/id_XMTc2NTM0NDYxMg==.html?&f=27256426&o=0&from=y1.2-3.4.1
一、作品概述
我国森林面积较广，分布不均，每年的森林火灾引起的经济损失达亿元。森林火灾的发生的原因各种各样，且难以预防，虽然全国各地也都在积极探索有效的方法来对森林火灾进行预警监测，但通常的方式是购买专业设备，业务运行费用较高，而且预警监测的森林面积小，广大偏远森林区域无法预警监测；另一方面，虽然气象局会定时发布森林火险气象等级，但因其考虑的因素少，所以精度较低，不能很好的满足需要。在森林火灾发生时，传统的监测方法不能及时有效的发现着火区域和模拟火情蔓延，因而不能给救火人员直观科学的指导意见，从而加大了火灾的扑灭难度。火灾被扑灭后，产生的大气污染很少用科学的数据进行统计。针对以上问题，我们组选择了该题目，希望能够科学合理地解决上述问题，体现实际价值。
系统深入分析了森林火灾监测和预警的功能需求，设计和开发了数据预处理、影像增强与分析、火警预警、火情监测模型、火灾灾后评估、三维展示和地图整饰。可以利用 MODIS 数据获取研究区域的地表温度、空气的相对湿度、森林植被绿度等因子，结合火险预警模型 FPI 对森林火灾预报加以预警分析，还可以根据Rothermel模型进行火灾扩散趋势模拟，分析火点扩散形式，可进行动态模拟，以及通过反演PM2.5/PM10分析火灾对空气质量的影响。
二、系统功能设计
系统功能设计如下：
图 功能模块图
2.1系统主界面
主界面主要由以下几部分组成：标题栏、菜单栏、工具栏、状态栏、图像显示区域、鹰眼视图、图层管理窗口。
图：作品主界面
2.2文件管理模块
该模块是本系统的基础模块。主要包括：文档操作、添加数据、地图操作、新建数据、退出、系统皮肤这七个主功能。主要用来实现影像文档的新建、打开、保存、放大、缩小、平移、添加栅格或矢量数据、新建点线面数据或ROI、退出系统功能。
图 文件管理模块
2.3 数据预处理模块
该模块主要包括遥感影像的数据压缩管理，其主要实现了MODIS数据与Landsat数据的波段选择与特征提取功能，便于系统对MODIS数据与Landsat数据进行高效快速的处理；该模块包括核心部分遥感影像预处理，其主要包括几何校正、大气校正以及影像去云处理功能，影像处理模块包括基本的影像裁剪、波段运算以及重采样；处理好的基本影像可以根据需要进行分级显示或者使用唯一值显示。
图 影像预处理模块
图 图像几何校正
2.4 影像增强与分类模块
本模块为系统的影像处理基础模块。几何校正、辐射校正后的影像，为了突出显示特征信息，因此集成常用的遥感分析工具来进行影响增强显示。主要包括直方图均衡化、平滑、锐化等影像增强方法，基本满足用户对影像增强处理的需求。而图像分类功能包括图像的基本处理与分类算法，其中分类算法分为基于统计的图像分类和基于地物光谱特征的图像分类。基于统计的分类算法分为监督分类与非监督分类，监督分类又包括SAM马氏距离和SID光谱信息散度，非监督分类包括ISO算法和K-Means算法。基于地物光谱特征的图像分类包括SVM支持向量机（属于监督分类）。
图 影像增强与分类模块
图 SVM分类结果
2.5火险预警分析模块
利用 MODIS 数据获取研究区域的地表温度、空气的相对湿度、森林植被绿度等因子，结合火险预警模型 FPI 对森林火灾预报加以预警分析。时序分析和变化监测功能对比反映不同时相数据的特点，便于分析不同时间尺度下火险危险等级。分析得出FPI模型，进行预警分级，便于直观反映火险危险程度。
图 火险预警分析模块
图 活可燃物湿度
图 火险预警分析FPI模型
2.6 火情监测模拟模块
根据Rothermel模型进行火灾扩散趋势模拟，分析火点扩散形式，可进行动态模拟。通过计算归一化燃烧指数，进行二值化显示然后将其转为矢量格式，以便提取着火区域。植被生长监测：利用MODIS数据分析植被衰减指数、花青素反射指数、归一化植被指数等指标进行监测分析，分析植被生长状况。
图 火情监测模拟模块
图 Rothermel_120分钟
2.7火灾灾后评估模块
大气污染分析。调用6s模型生成查找表，进而计算像元的气溶胶光学厚度（AOD）。根据反演得出的AOD结合各类因子对PM2.5以及PM10颗粒物浓度进行反演估算，得到火灾过后该地区大气中主要污染物浓度值。污染物浓度范围插值模拟。通过反距离权重法、克里金法以及样条函数法进行污染物浓度插值，用以得到污染物浓度范围。下垫面损失分析。针对火灾过后该地区地表植被损失以及地表温度变化进行分析。
图 火灾灾后评估模块
图 PM10反演
2.8 三维视图展示模块
实现对分析区域的三维动态分析。主要实现的功能有导航、平移、放大、缩小以及打开图像、叠加DEM与TIN、栅格转TIN、表面叠加、输出图片、坡度分析等功能。
图 三维视图展示模块
图 3D叠加
2.9地图整饰输出模块
可以显示和浏览研究区域的图像数据集，可以指定符号和地理元素，还可以创建用于打印或发布的地图布局。常见的地图元素包括含有给定范围的地图图层的数据框，以及比例尺、指北针、标题、描述性文本和符号图例等等。
图：地图整饰输出模块
2.10帮助模块
包含帮助文档和人员信息。其中帮助文档集成了各模块中各个功能详细的操作步骤介绍，使用人员可以查看帮助手册详细了解各功能。
三、作品亮点
本系统作为一款专门用于森林火灾预警监测的遥感影像分析系统，其亮点有如下几个方面：
- 本系统所使用的火灾扩散模拟Rothermel 模型考虑因素比较全面，如：风向、坡度、燃料床性质、森林密度等。同时，模型充分考虑了风向和地形坡度方向有夹角的情况下火灾蔓延速度的精确计算，似的与真实受灾范围重叠和面积相似性有高的模拟精度。
- 三维模块能够更直观的展示影像，增强显示效果。
- 通过对MODIS数据的分析，我们提取死可燃物湿度数据、活可燃物湿度数据，地表温度数据等，从而建立 FPI 模型，来更好的反应火灾实际情况。
- 本系统能够处理shapefile矢量数据、ENVI格式数据、TIN数据、栅格格式数据等多数据格式，实现不用数据格式之间相互转换。从而将GIS和RS紧密结合，实现了GIS与RS的一体化。
- 本系统主界面、功能界面设计合理、简洁大方、便于使用。
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0102xn81.html
